线性代数的本质 - 05 - 行列式

本文探讨了行列式的几何意义,即其表示的是空间变换后面积或体积的缩放倍数,并解释了行列式值为0和负值时所代表的空间变化特性。

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行列式

行列式的值就是按照这个矩阵变换后的 i-hat 和 j-hat 组成的区域的面积的缩放倍数。因为变换时保持“所有线平行且原点不变”的,所以这个倍数是任何区域面积变化的倍数。

行列式被用来描述一个变换对空间的缩放程度。
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一个二维线性变化的行列式值为0,表示它将空间压缩到了一条直线或一个点上。所以,用行列式就可以知道变换是否给空间降了维。

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其实行列式是允许负值的,负值与空间的方向有关。一种考虑是负值意味着将空间翻转了一下。另一种考虑是根据 i-hat 和 j-hat 的相对位置。
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为什么行列式负值和空间翻转相关?

考虑一个j-hat不变,而i-hat逐渐靠近j-hat 的变换,很轻易的看出行列式的值慢慢变小,当i-hat和j-hat重合时值为0。那么此时i-hat继续移动,行列式的值变成负的也就很自然了。

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三维下的行列式

依然是变换前后的缩放比例,只不过是一个平行六面体的体积。

此时行列式为0,意味着空间被压缩成一个体积为0的东西,可能是一个面、一条线或一个点。

此时行列式为负数,依然是和方向相关。有一种方法来描述三维空间的取向,就是“右手定则”。

行列式的计算

det([abcd])=adbc d e t ( [ a c b d ] ) = a d − b c

detadgbehcfi=a×det([ehfi])b×det([dgfi])+c×det([dgeh]) d e t ( [ a b c d e f g h i ] ) = a × d e t ( [ e f h i ] ) − b × d e t ( [ d f g i ] ) + c × d e t ( [ d e g h ] )

根据行列式的几何意义,我们也很容易得到这个式子:

det(M1M2)=det(M1)det(M2) d e t ( M 1 M 2 ) = d e t ( M 1 ) d e t ( M 2 )

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